DE3027923C2

DE3027923C2 - Einrichtung zur Ortsbestimmung eines Berührungspunktes

Info

Publication number: DE3027923C2
Application number: DE19803027923
Authority: DE
Inventors: Frank 8000 Muenchen Cringle
Original assignee: Individual
Current assignee: CRINGLE, FRANK, 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1980-07-23
Filing date: 1980-07-23
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE3027923A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der interaktiven Kommunikation zwischen Mensch und Maschine an Datenverarbeitungsanlagen kann es vorteilhaft sein, wenn von einer Bedienungsperson Daten in eine Datenverarbeitungsanlage auf die Weise eingegeben werden können, daß die Bedienungsperson mit einer griffeiförmigen Vorrichtung oder mit einem Finger auf einen Ort auf der Oberfläche eines dünnen bzw. dünnwandigen Körpers, beispielsweise eines Zeichenbrettes oder eines Bildschirmes weist. An diesem Ort kann z. B. eine Anweisung an die Datenverarbeitungsanlage geschrieben stehen, die dann ausgeführt werden soll, wenn auf diesen Ort gewiesen wird. Da die Bedeutung der einzugebenden Daten dabei von den Ortskoordinaten abhängt, ist es notwendig, für derartige Dateneingaben Einrichtungen vorzusehen, mit welchen ein Ort auf einer Oberfläche bestimmt werden kann.

Aus »Electronic Design« 25, Dez. 6,1978, Seite 170 ist eine Einrichtung bekannt, bei der zwei Reihen von piezoelektrischen Wandlern auf einer Glasplatte senkrecht zueinander so angeordnet sind, daß sie die Glasplatte auf zwei Seiten begrenzen. Die piezoelektrisehen Wandler sind mit einem Sender und mit einem EmDfänger verbunden, wobei der Sender eine Wellenfront erzeugt, die sich in die X- und V-Richtung auf der Glasplatte ausbreitet Wenn ein Gegenstand, beispielsweise ein Finger, die Glasplatts berührt, wird daran eine Welle zu den Wandlern reflektiert, und aus der Laufzeit des Echos werden die den Berührungspunkt kennzeichnenden Ortskoordinaten in einem Rechenwerk bestimmt
In IBM Technical Disclosure Bulletin, VoI. 18, No. 4, Sept75, Seite 1078 und 1079, ist eine Einrichtung beschrieben, die zur Erzeugung einer mechanischen Weile in einem Zeichenbrett eine griffeiförmige Vorrichtung aufweist an der ein Ultraschallsender angebracht ist Die Energieversorgung dieses Senders erfolgt durch eine in der griffelförmigen Vorrichtung untergebrachte Energiequelle. Zu einer Ortsbestimmung muß der Sender mittels der griffelförmigen Vorrichtung an den zu bestimmenden Ort auf dem Zeichenbrett gebracht werden. Die Einrichtung ermittelt die Ortskoordinaten dadurch, daß ein auf dem Zeichenbrett angebrachter Wandler den Durchgang eines longitudinalen Wellenteils erkennt und einen Zähler startet, während der Durchlauf eines transversalen Wellenteils den Zähler stoppt Nun muß die Geschwindigkeit der beiden Wellenteile und der Ort des Wandlers bekannt sein, dann können aus dem Zählerinhalt die Ortskoordinaten in einem Rechenwerk bestimmt werden.

In US-PS 38 57 022 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der drei elektroakustische Wandler an drei Seiten eines rechteckigen Schirmes angebracht sind, welche Körperschallwellen, die durch einen Schlag mit einem harten Gegenstand gegen den Schirm erzeugt werden, in elektrische Signale umwandeln. Die Signale werden durch eine Signalwandlereinrichtung in digitale Impulse gewandelt und steuern eine Zähleinrichtung, in der ein dem Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen der einzelnen digitalen Signale proportionaler Meßwert erzeugt wird, der zur Auswertung weitergegeben wird.

■»5 Diese Einrichtungen haben eine Reihe von Nachteilen. So muß bei den zwei erstgenannten bekannten Einrichtungen eine aktive Wandlereinrichtung vorhanden sein, die die zur Ortsbestimmung notwendigen mechanischen Wellen erzeugt. Außerdem muß zur Ermittlung der Ortskoordinaten die Wellengeschwindigkeit bekannt sein. Die erstgenannte bekannte Einrichtung hat darüber hinaus den Nachteil, daß die Ermittlung der Ortskoordinaten auf der absoluten Messung der Geschwindigkeit zweier orthogonaler Wellen beruht, was eine exakte orthogonale Anordnung einer Mehrzahl von Wandlern erfordert, die außerdem zwei Seiten der Glasplatte vollständig einnehmen müssen. Es ist auch nachteilig, daß das Echo nur äußerst geringe Energie hat, wenn mit einem spitzen oder dünnen Gegenstand auf den zu bestimmenden Ort gezeigt wird. Die griffeiförmige Vorrichtung der zweiten bekannten Einrichtung hat den Nachteil, daß sie mit elektrischer Energie versorgt werden muß. Bei der letztgenannten bekannten Einrichtung werden drei Seiten des Schirmes vollständig durch eine Mehrzahl von Wandlern eingenommen, die exakt orthogonal zueinander angebracht werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 genannten Art anzugeben, welche eine freie Anordnung des akustischen Wandlers zulassen und die Zahl der Empfänger pro akustischem Wandler erheblich reduzieren.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jedem Wandler ein Zähler zugeordnet wird, daß das Signal des zuerst von der Schallwelle erreichten Wandlers die dem zweiten und dritten Wandler zugeordneten Zähler startet, daß das Signal des zweiten und dritten Wandlers die jeweils zugeordneten Zähler stoppt, so daß die relativen Laufzeiten vom Ort der Schallquelle zu den Wandlern gemessen werden, daß die Inhake aller Zähler in die Rachenanlage eingegeben werden, und daß dort durch Vergleich mit einer vorgegebenen Anzahl von Vergleichswerten der Ort der Schallquelle bestimmt wird und diesem Ort Koordinaten zugewiesen werden.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch Vorteile aus, die sowohl den Aufbau als auch die Bedienung der Einrichtung betreffen. Der Aufbau hat die Vorteile, daß nur passive elektroakustische Wandler benötigt werden, und daß keine strengen Anforderungen an die geometrische Anordnung der Wandler auf der Fläche gestellt werden müssen. Sie können beliebig auf der Fläche angeordnet sein, wenngleich es vorteilhaft ist, wenn sie alle ungefähr den gleichen Abstand zueinander haben. Außerdem wird nur eine geringe Anzahl von elektroakustischen Wandlern benötigt, die jeweils nur einen einzigen Empfänger aufweisen und keine Begrenzung der Fläche verursachen.

Wird ein vierter elektroakustischer Wandler eingesetzt, braucht die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Körper nicht bekannt zu sein. Die angewendete relative Messung zeichnet sich durch eine erhöhte Genauigkeit aus. Die Bedienung wird dadurch vereinfacht, daß zur Erzeugung der elektromechanischen Wellen jeder beliebige feste Gegenstand verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.

F i g. 1 zeigt die Ansicht einer Oberfläche, auf der drei elektroakustische Wandler angeordnet sind.

F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Erfindung.

Fig.3 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsfoirm.

Fig.4 zeigt eine grafische Darstellung von Ausgangssignalen der Einrichtung gemäß F i g. 3.

In F i g. 1 ist eine Oberfläche eines dünnen bzw. dünnwandigen Gegenstandes dargestellt, auf der drei elektroakustische Wandler 1 angeordnet sind. Die Oberfläche muß nicht notwendigerweise in einer Ebene liegen. Sie kann sich auch in den dreidimensionalen Raum erstrecken, beispielsweise kann sie eine gewölbte Form annehmen oder Teil der Oberfläche eines geschlossenen Hohlkörpers sein. Die Anordnung der elektroakustischen Wandler 1 kann beliebig sein, es ist jedoch vorteilhaft, wenn sie so angeordnet sind, daß sie alle ungefähr den gleichen Abstand zueinander haben, und daß sie außerhalb eines Arbeitsbereiches 18 liegen. Ein Berührungspunkt 3, an dem durch einen Schlag eines harten Gegenstandes gegen die Oberfläche eine mechanische Welle erzeugt wird, soll dann nur innerhalb dieses Arbeitsbereiches 18 liegen. Damit wird erreicht, daß alle Anteile eier mechanischen Welle eine gewisse Strecke bis zu den elektroakustischen Wandlern 1 durchlaufen müssen. Für die Begrenzung der Oberfläche 2 und des Arbeitsbereiches 18 ist jede andere als die dargestellte Form möglich. Die geometrischen Orte der elektroakustischen Wandler 1 auf der Oberfläche 2 sind mit A, Bund Cbezeichnet

Wie in F i g. 2 dargestellt, sind die elektroakustischen Wandler 1, die die durch einen Schlag eines harten Gegenstandes gegen die Oberfläche 2 erzeugten

ίο Körperschallwellen in elektrische Signale umwandeln, jeweils mit einer Signalwandlereinrichtung 4 verbunden, in der die analogen Ausgangssignale in digitale Signale gewandelt werden. Die Ausgänge der Signalwandlereinrichtung 4 sind mit einer Zähleinrichtung 5 verbunden, in der ein dem Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen der einzelnen digitalen Signale proportionaler Meßwert erzeugt wird, der zur Auswertung an ein Rechenwerk 6 übergeben wird. Das Rechenwerk 6 bestimmt die Ortskoordinaten des Berührungspunktes 3, beispielsweise mit Hilfe einer gespeicherten Tabelle, in der die Zuordnung der Meßwerte zu den Ortskoordinaten festgelegt ist oder durch ein geeignetes Rechenprogramm.
F i g. 3 zeigt ein Schaltbild der Signalwandlereinrichtung 4 und der Zähleinrichtung 5. Die Wirkungsweise der beiden Schaltungen wird zusammen mit der grafischen Darstellung der Ausgangssignale in Fig.4 anhand eines Beispiels erläutert Die elektrischen Signale sind mit Großbuchstaben bezeichnet In der grafischen Darstellung in Fig.4 sind die Amplituden der Ausgangssignale über der Zeit t aufgetragen. Die für die Funktion der Schaltung relevanten Zeitpunkte sind mit Zeichen von f 1 bis f9 bezeichnet Das Beispiel ist für eine mechanische Welle ausgeführt, die, ausgehend vom Berührungspunkt 3, die drei elektroakustische Wandler 1 an den Orten A, B und C zu verschiedenen Zeiten erreichen. Im Beispiel erreicht die mechanische Welle zuerst den Ort C₁ dann den Ort A und schließlich den Ort B, wo ihre mechanische Energie jeweils in ein elektrisches Signal A', ß'und C umgewandelt wird. Die elektrischen Signale A', ß'und C"haben typischerweise eine sinusähnliche Form. Entsprechend der genannten Reihenfolge wird zuerst am Ausgang des elektroakustischen Wandlers am Punkt C ein Signal C" erzeugt, das zum Zeitpunkt 11 seinen ersten Nulldurchgang hat. Analog erhält man den ersten Nulldurchgang des Ausgangssignales A' zum Zeitpunkt ti und B' zum Zeitpunkt f3. Über Differenzierglieder 7 werden die Signale A', B', Cin die Signale A", B", C"gewandelt.

so Damit wird jeweils zum Zeitpunkt der maximalen positiven oder negativen Amplitude der Signale A', B' und C" ein Nulldurchgang der Signale A", B" und C" erzeugt Der Nulldurchgang des Signales C'erfolgt zum Zeitpunkt 14 und 17, der des Signales Λ "zum Zeitpunkt f 5 und 18 und der des Signales B"zum Zeitpunkt f 6 und f9. Die Signale A", B"und C" werden jeweils einem bistabilen Schwellwertschalter 8 zugeführt. Die Schwellwertschalter 8 wechseln jeweils beim Nulldurchgang ihres Eingangssignales ihren Zustand. So wird zum Beispiel zum Zeitpunkt f 4 ein Wechsel des Signales DC von einem höherwertigen ir. einen niederwertigen Zustand erreicht. Entsprechend wechselt das Signal DA zum Zeitpunkt 15, und das Signal DS zum Zeitpunkt r6 von einem höherwertigen zu einem niederwertigen Zvstand.

Bei den nächsten Nulldurchgängen der Signale A" zum Zeitpunkt f8, ß"zum Zeitpunkt f9 und C" zum Zeitpunkt f 7 wechseln die Schwellwertschalter 8 ihren

Zustand vom niederwertigen in den höherwertigen Zustand.

Sobald eines der Signale DA, DB, DCseinen Zustand von einem höherwertigen zu einem niederwertigen Wert wechselt, wird über ein ODER-Glied 15 eine Kippstufe 16 aktiviert, die damit ihren Ausgangszustand von einem niederwertigen Wert zu einem höherwertigen Wert wechselt. Das Ausgangssignal der Kippstufe 16 wird mit STbezeichnet. Sobald es einen höherwertigen Zustand einnimmt, können Taktimpulse CLK über ein UND-Glied 17 zu den UND-Gliedern 18, 19, 20 gelangen. Im Beispiel erfolgt der Wechsel des Signales Sr vom niederwertigen in den höherwertigen Zustand zum Zeitpunkt f 4, angeregt durch den Zustandswechsel des Signales DC. is

Gleichzeitig mit der Aktivierung der Kippstufe 16 durch den Zustandswechsel des Signales DC wird eine Kippstufe 23 aktiviert und ändert ihr Ausgangssignal FC von einem niederwertigen zu einem höherwertigen Wert Das Signal FC wird am Eingang des UND-Gliedes 20 invertiert, so daß das UND-Glied gesperrt ist. Es können keine Taktimpulse CLK in einem Zähler 12 gelangen. Das Signal ZCbleibt in einem niederwertigen Zustand. Die Signale FA bzw. FB sind bis zu einem Zustandswechsel der Signale DAbzw.Dßniederwertig. Da sie jedoch am Eingang der UND-Glieder 18 bzw. 19 invertiert werden, können CLK-Signale in den Zähler 10 bzw. 11 gelangen. Die Signale ZA und Zßsind während dieser Zeit mit dem CZJC-Signal identisch. Sobald das Signal DA von höherwertigen in den niederwertigen Zustand übergeht, ändert sich wegen des Kippschalters 21 das Signal FA und das UND-Glied 18 sperrt. Die Anzahl der in den Zähler 10 eingegangenen Taktimpulse ist deshalb direkt proportional der Zeit, die zwischen dem Eintreffen der mechanischen Welle am Punkt C und am Punkt A verstrichen ist. Das UND-Glied 19 wird gesperrt, sobald die Kippstufe 22, veranlaßt durch einen Zustandswechsel des Signales DB, den Zustand des Signales FB vom niederwertigen in den höherwertigen Zustand ändert. Damit ist das Signal ZB niederwertig, es gelangen keine Zählimpulse mehr in den Zähler 11. Aus den Meßwerten der Zähler 10, U, 12 kann das digitale Rechenwerk 6 die Ortskoordinaten des Berührungspunktes 3 ermitteln.

Der Zustandswechsel des Signales FB erfolgt zum Zeitpunkt f 6. Damit ist der Zählvorgang beendet. Das Ende des Zählvorganges wird dem Rechenwerk 6 durch den Zustandswechsel des Signales INTdes UND-Gliedes von niederwertigen in den höherwertigen Zustand angezeigt. Der Zustandswechsel erfolgt, sobald alle Signale FA, FB und FC sich im höherwertigen Zustand befinden.

Sobald der Zustandswechsel des Signales INT vom niederwertigen in den höherwertigen Zustand erfolgt ist, kann das Rechenwerk 6 die Meßwerte des Zählwerkes 5 übernehmen. Soll ein neuer Zählvorgang gestartet werden, so kann das Rechenwerk 6 über ein Signal RST das Zählwerk 5 in einen definierten Anfangszustand setzen. Das erfolgt dadurch, daß zum Zeitpunkt 110 das Signal RST vom niederwertigen in den höherwertigen Zustand wechselt und damit die Zähler 10,11,12 löscht und alle Schwellwertschalter 16, 21,22,23 zurücksetzt. Damit werden die Signale ST, FA, FB und FC in den niederwertigen Zustand zurückgesetzt.

Der Zustandswechsel des Signales RST erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem sich die Signale DA, DB und DCim höherwertigen Zustand befinden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Ortskoordinaten einer punktförmigen Schallquelle auf einem mit drei elektroakustischen Wandlern versehenen Bildschirm oder Tablett, wobei eine Schallwelle beim Erreichen eines jeden Wandlers ein Signal des Wandlers auslöst, welches zur Steuerung von Laufzeitmessungen der Schallwelle ausführenden Zählern dient, und wobei aus verschiedenen Laufzeiten mittels einer Rechenanlage die Ortskoordinaten ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandler (1) ein Zähler (10, 11, 12) zugeordnet wird, daß das Signal (A', B', C) des zuerst von der Schallwelle erreichten Wandlers die dem zweiten und dritten Wandler zugeordneten Zähler startet, daß das Signal des zweiten und dritten Wandlers die jeweils zugeordneter. Zähler sioppt, so daß die relativen Laufzeiten vom Ort der Schallquelle (3) zu den Wandlern (1) gemessen werden, daß die Inhalte aller Zähler in die Rechenanlage eingegeben werden, und daß dort durch Vergleich mit einer vorgegebenen Anzahl von Vergleichswerten der Ort der Schallquelle (3) bestimmt wird und diesem Ort Koordinaten zugewiesen werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus drei auf dem Bildschirm oder Tablett angeordneten elektroakustischen Wandlern, jeweils zur Abgabe eines Signals, sobald die Schallwelle den Wandler erreicht, aus mit den Wandlern verbundenen Zählern zum Erzeugen eines den Laufzeiten der Schallwelle proportionalen Wertes, und aus einer mit den Zählern verbundenen Rechenanlagc zur Übernahme und Auswertung des Meßwertes, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (1) jeweils einen punktförmigen Empfänger aufweisen und beliebig zueinander angeordnet sind, daß jedem Wandler ein mit einem Start- und Stoppeingang versehener Zähler zugeordnet ist, daß jeder Wandler (1) mit dem Stoppeingang des ihm zugeordneten Zählers verbunden ist und daß die Ausgänge aller Wandler (1) mit den Starteingängen verbunden sind.